Uno mismo-Ensamblaje Programable en Nano-Configuraciones De Varios Componentes

por el Dr. Oleg Gang

Nanomaterials de la Cuadrilla del Dr. Oleg, del Arranque De Cinta del Grupo, Suaves y Biológicos, Centro para los Nanomaterials Funcionales, Laboratorio Nacional de Brookhaven
Autor Correspondiente: ogang@bnl.gov

Nanoparticles está disponible ahora que es atractivo para una amplia gama de materiales y de dispositivos, pero los métodos nuevos de la fabricación también se requieren para aprovechar completo de las propiedades interesantes de Nanoparticulates.

Las Aproximaciones basadas en el uno mismo-ensamblaje de sistemas de componentes individuales casi ofrecen enormes ventajas del costo y una “facilidad mágica de la manufactura” comparada a los métodos litográficos. las técnicas del Uno mismo-Ensamblaje pueden también dirigir las tareas que son intrínseco desafiadoras para la litografía convencional tramitan por ejemplo la fabricación de las configuraciones o de las estructuras dimensionales del thee que contienen nano-objetos prefabricados.

Inversamente, los métodos del uno mismo-ensamblaje tienen típicamente limitaciones importantes: permiten la formación de estructuras relativamente simples de componentes similares, y permiso raramente un diseño racional de sistemas. La capacidad de arreglar diversos nanocomponents en un sistema con una configuración específica es un requisito dominante para activar muchas propiedades funcionales emergentes de nanosystems. ¿La pregunta por lo tanto se presenta, se puede esto lograr vía el uno mismo-ensamblaje?

Cuadro 1. Un concepto de uno mismo-ensamblaje programable. los Nano-Componentes de los diversos tipos (lego-bloques) son dirigidos por el pegamento “elegante”, las biomoléculas (por ejemplo, DNA), que codifica cómo obran recíprocamente los componentes, eso llevan a la formación de estructura final.

Una de las estrategias prometedoras para la fabricación de sistemas complejos de los componentes de tipos múltiples vía el uno mismo-ensamblaje se basa en el uso de biomoléculas.

La incorporación de biomoléculas en diseños del nano-objeto proporciona a una oportunidad de destinar atracciones selectivas entre los diversos nano-componentes. La codificación Biomolecular establece las reglas que regulan cómo diversos nano-objetos obran recíprocamente con uno a y cómo aparece la estructura final.

Uno de la puesta en vigor más atractiva de esta aproximación se basa en el uso de la DNA, que es químicamente estable y se puede sintetizar por diversos medios. La DNA también proporciona a un alto nivel de codificación y se puede utilizar convenientemente para ajustar distancias del inter-componente.

El uso de la DNA para las aplicaciones de la nanotecnología fue promovido por el grupo de Ned Seeman, que exploró la idea de la DNA se ramificó las estructuras1, o los supuestos andamios, y por los grupos de República Eo Tchad Mirkin y Paul Alivisatos, que demostró que dos tipos de partículas functionalized con la DNA complementaria pueden reconocerse2.

A Pesar De la claridad aparente del concepto bio-programable, la fabricación de estructuras bien determinadas de nano-objetos sigue siendo un reto como resultado de las acciones recíprocas relacionadas carga adicional del inter-componente, diversas acciones recíprocas moleculares, geométrico y entrópico. Por Lo Tanto, una acción recíproca compleja de la fase se anticipa incluso para los sistemas relativamente simples3.

Varios grupos han demostrado en ambo 1-D y 2.o, andamios de esa DNA, es decir los modelos de la DNA con los sitios de reconocimiento, se pueden utilizar para dirigir un accesorio de partículas codificadas sobre sitios predeterminados. 4En tres dimensiones sin embargo, una diversa aproximación es más práctica, la estructura final con toda la información relevante se debe “programar” usando los adornos de la DNA asociados a los nano-objetos.

Cuadro 2. (Dejado) Pequeño modelo el dispersar de radiografía del ángulo obtenido de un superretículo de los nanoparticles ensamblados con la DNA. (Derecho) La estructura correspondiente, cuerpo centró el cedazo cúbico, formado por las partículas de dos tipos, conteniendo la DNA complementaria dos; las distancias interpartículas son determinadas por la DNA.

Un descubrimiento reciente ha mostrado que ciertos adornos de la DNA pueden llevar de hecho a la formación de las estructuras altamente ordenadas - superretículos cristalinos de nanoparticles con la orden que propaga sobre diez o centenares de tallas de partículas5. El diagrama de Fase de la DNA medió a los ensamblajes investigados experimental muestra que el grado de orden depende de los detalles de los shelles de la DNA, el número de DNA que conecta partículas y longitud de la DNA6.

Los ensamblajes cristalinos son termodinámico reversibles y temperatura-armoniosos, con los cedazos cúbicos centrados (bcc) cuerpo donde las partículas ocupan solamente ~3-5% de la célula de unidad. Tales estructuras abiertas potencialmente permiso la incorporación de diversos elementos funcionales en las ubicaciones específicas en el superretículo 3D, así como la oportunidad de realizar modificaciones del poste-ensamblaje. Por ejemplo, si los nanoparticles se conectan en un superretículo usando un dispositivo reconfigurable de la DNA, las distancias interpartículas se pueden cambiar “a pedido”7 usando estímulos moleculares e hilos simples de la DNA.

Aparte de millones que ensamblan de nanoparticles en los ensamblajes 3D, es un muy ventajoso fabricar los atados exacto estructurados de varias partículas. Cuando algunos nanoparticles se arreglan en una estructura determinada, las nuevas propiedades materiales pueden emerger. Nanoparticles en este caso es análogo a los átomos, que, cuando está conectado en una molécula, a menudo las propiedades de la pieza de convicción no encontradas en los átomos individuales.

Los métodos solución-basados Convencionales dan lugar típicamente a una población amplia de multimers de atados; además, la eficiencia de la fabricación es limitada. Un método de la alto-producción se ha demostrado recientemente para la fabricación de atados usando los nanoparticles DNA-codificados ensamblados en un soporte sólido vía el reconocimiento8. Esta aproximación permite la construcción de los atados del nanoparticle con un alto rendimiento. Usando este método, los atados del dos-componente se han fabricado de partículas del oro y de la plata para examinar sus propiedades ópticas. Estructuras Más complejas que contienen varios tipos de nano-objetos con posiciones reguladas de los inter-objetos se pueden ensamblar usando esta aproximación.

La Investigación sobre el uno mismo-ensamblaje programable de nanosystems promete traer un nuevo paradigma en relación a la fabricación de materiales y de dispositivos. Aunque el progreso importante sea evidente, varios retos importantes todavía necesitan ser entendidos y resueltos: (i) cómo equilibrar acciones recíprocas biológicas selectivas y factores físicos no selectivos; (ii) cómo programar una estructura global de un sistema usando las técnicas de la codificación para los componentes individuales; (iii) cómo ejecutar la desvío-corrección en el proceso del uno mismo-ensamblaje.

 


Referencias

1. Seeman, N.C. DNA en un mundo material. Naturaleza 421, 427-431 (2003)
2. C.A. Mirkin, R.L. Letsinger, R.C. Mucic, y J.J. Storhoff, “Un método DNA-basado para racional ensamblar nanoparticles en Naturaleza 382, 607 de los materiales macroscópicos” (1996); A.P. Alivisatos, K.P. Johnsson, X.G. Peng, T.E. Wilson, C.J. Loweth, M.P. Bruchez, y P.G. Schultz, “Organización “de la Naturaleza nanocrystal 382, 609 de la DNA de las moléculas” usando” (1996).
3. A.V. Tkachenko, “diversidad Morfológica Revista Física del uno mismo-ensamblaje DNA-coloidal” Pone Letras a 89, 148303 (2002)
4. Y.Y. Pinto, J.D. Le, N.C. Seeman, K. Musier-Forsyth, T.A. Taton, y R.A. Kiehl, “Serie-Codificó el uno mismo-ensamblaje de matrices múltiples-nanocomponent por las Cartas Nanas 5, 2399 del 2.o andamio de la DNA” (2005); Zhang, el J.P., Liu, el Y., KE, el Y.G. y Yan, H. Periodic cuadrado-como matrices del nanoparticle del oro templated por los 2.os nanogrids uno mismo-ensamblados de la DNA en una superficie. Lett Nano. 6, 248_251 (2006); Deng, el Z.X., Tian, el Y., Lee, el S.H., Ribbe, el A.E. y Mao, C.D. DNA-codificaron el uno mismo-ensamblaje de los nanoparticles del oro en matrices unidimensionales. Angew. Quím. Internacional. Ed. 44, 3582 (2005)
5. D. Nykypanchuk, M.M. Maye, D. van der Lelie, y O. Gang, “DNA-condujeron la cristalización de nanoparticles coloidales”, la Naturaleza 451, 549 (2008); S.Y. Park, A.K.R. Lytton-Jean, B. Lee, S. Weigand, G.C. Schatz, C.A. Mirkin, “Cristalización DNA-Programable del Nanoparticle,” Naturaleza 451, 553 (2008)
6. H.M. Xiong, D. van der Lelie, y O. Gang, “Comportamiento de la Fase de Nanoparticles Ensamblaron por Máquinas Para Hacer Chorizos de la DNA”, Revista Física Pone Letras a 102, 015504 (2009).
7. M.M. Maye, D. Nykypanchuk, M. Cusiner, D. van der Lelie, y O. Gang, “codificación superficial De Manera Gradual para el ensamblaje de la alto-producción de nanoclusters”, Materiales de la Naturaleza, 8, 388 (2009)
8. M.M. Maye, K. Mudalidge, D. Nykypanchuk, W. Sherman, y Superretículos Molecular Cambiables y Atados del Nanoparticle de O. Gang “con los Estados Binarios”, Nanotecnología de la Naturaleza, DOI: 10.1038/nnano.2009.378

Derechos De Autor AZoNano.com, el Dr. Oleg Gang (Laboratorio Nacional de Brookhaven)

Date Added: Apr 18, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:55

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